超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

O 引言
    超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340 m／s(20°C時)。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點，因此被廣泛應(yīng)用于無損探傷，距離測量、距離開關(guān)、汽車倒車防撞、智能機器人等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)原理框圖
    本設(shè)計的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發(fā)射，超聲波接收與信號轉(zhuǎn)換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T，然后求出距離S=CT／2，式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m／s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統(tǒng)測距精度要求很高，所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測距系統(tǒng)的基本原理。

2 超聲波信號的發(fā)射與接收電路
    發(fā)射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅(qū)動電路組成，用來為超聲波傳感器提供發(fā)送信號。脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路中通過單片機對555定的復位(RESET)端的控制，使555定時器分時工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號，信號波形如圖2所示，本設(shè)計中一個周期內(nèi)發(fā)送10個脈沖信號。隔離電路主要是由兩個與非門組成，對輸出級與脈沖產(chǎn)生電路之間進行隔離。輸出級由兩個通用型集成運放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電壓，其基本原理就是一個比較電路，當輸入信號Vi>2．5V時，運放A的輸出電壓VA=+12V，運放B的輸出電壓VB=-12V，當輸入信號Vi<2．5V時，運放A的輸出電壓VA=-12V，運放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個極性完全相反的對稱波形，即VB=-VA，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達到24V，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠的距離，提高了測量量程。

    接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號非常的微弱，不能直接送到后級電路進行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級電路對它進行正確的處理。前置放大電路是由集成運放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，C5，C6，C7為隔直電容，R5，R6，R7為偏置電阻，用來設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器，用于消除超聲波傳播過程中受到的干擾信號的影響。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW，C10組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路。集成運放和電阻R9，RlO一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩(wěn)定工作，必須保證同相比例放大器的增益AV<3，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz， 電路參數(shù)可通過AV=1+R9／R10和ω0=1／R12C2(1／RW+1／R13)確定。經(jīng)過帶通濾波后的信號經(jīng)專用儀表放大器AD620進行放大，然后送到信號變換電路，信號變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號變換成單片機的中斷觸發(fā)信號。由包絡(luò)檢波電路，電壓比較器和RS觸發(fā)器組成。包絡(luò)檢波電路由二極管D3，電阻R19，和電容C13組成。經(jīng)過包絡(luò)檢波得到的信號如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運放和電容電阻組成，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號，我們將單片機P1．2輸出的信號加到電壓比較器的同相端，它的波形是250μs的高電平，和29750μs低電平的方波，通過二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。當P1．2輸出高電平時，通過二極管對電容C14充電，由于二極管是正向?qū)ǖ?，所以充電很快，當P1．2輸出為低電平時，二極管反向截止，電容通過電阻RW和R21放電，由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出，在沒有收到返回信號時，比較器輸出高電平，如果收到返回信號，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo所示，通過這種方法就可以消除發(fā)射探頭對反射回的信號的干擾。

    電壓比較器的輸出信號送到基本RS觸發(fā)器用于產(chǎn)生單片機所需的中斷信號?；綬S觸發(fā)器由與非門組成，同時由單片機進行控制，如圖6所示。在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號時，P1．2輸出高電平，經(jīng)過反相器后，變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R端，因為沒收到反射信號之前，電壓比較器輸出為高電平，所以基本RS觸發(fā)器的輸入分別為，R=O，S=l，為0態(tài)，即Q=0，Q=1，Q的信號加到單片機的中斷輸入端，因為單片機的中斷為下降沿觸發(fā)，輸入為高電平，不產(chǎn)生中斷。當發(fā)送完畢時，P1．2輸出低電平，經(jīng)反相器，變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R端，沒有收到反射回的信號時，電壓比較器輸出仍為高電平，所以基本RS觸發(fā)器的R=1，S=1，為保持狀態(tài)，即Q=1，Q=0，也不產(chǎn)生中斷。當接收到反射回的信號時，電壓比較器輸出低電平，因此，基本RS觸發(fā)器的輸入端R=1，S=0，觸發(fā)器工作在0態(tài)，即Q=O，Q=1。單片機的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈?strong>電平，從而使單片機產(chǎn)生中斷。

3 單片機外圍電路原理圖
    單片機的外圍電路圖如圖7所示，顯示電路由單片機控制七段數(shù)碼管進行顯示，采用數(shù)字溫度傳感器DS18820對環(huán)境溫度進行檢測，從而對超聲波的傳播速度進行溫度補償，提高測量精度。兩個按鍵用于控制測量的開始與停止以及距離與溫度顯示的切換。

4 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計包括三個部分，主程序，定時中斷程序和外部中斷程序，流程圖如圖7所示。

5 結(jié)論
    本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因，測量
距離在10cm到500cm之間， 在近距離測量和遠距離測量時存在誤差較大，在50cm和200cm之間測量時精度最好，誤差不大于1cm。在本設(shè)計中由于超聲波發(fā)射周期為10個25μs的方波，因此發(fā)射時間為T=250μs，已知常溫下聲速C為340m／s，可知S=CT／2=250μs／2=8．5cm，因此確認測距盲區(qū)為9cm。即當測量距離小于9cm時不能正確測量。